Generazione e controllo di idrodinamiche flussi in soluzioni acquose dell'elettrolito

Summary

La rettifica delle vie di trasporto di ioni è un metodo efficace per generare flussi unidirezionale dello ione-trascinato idrodinamiche. Impostando una membrana di scambio ionico in un canale di flusso, una condizione polarizzata elettricamente viene generata e provoca un flusso liquido essere guidato quando un campo elettrico viene applicato esternamente.

Abstract

A guidare idrodinamiche (EHD) scorre in soluzioni acquose, la separazione delle vie di trasporto di cationi e anioni è essenziale perché una forza di corpo elettrico diretto deve essere indotto da movimenti ionici in liquido. D’altra parte, cariche positive e negative si attraggono, ed elettroneutralità è mantenuto ovunque in condizioni di equilibrio. Inoltre, un aumento in una tensione applicata deve essere soppressa per evitare l’elettrolisi dell’acqua, che provoca le soluzioni per diventare instabile. Di solito, EHD flussi possono essere indotta in soluzioni non-acquose applicando tensioni estremamente elevate, come decine di kV, per iniettare cariche elettriche. In questo studio, vengono presentati due metodi per generare flussi EHD indotti da separazioni di carica elettrica in soluzioni acquose, dove due fasi liquide sono separati da una membrana di scambio ionico. A causa di una differenza nella mobilità ionica nella membrana, polarizzazione di concentrazione di ioni è indotto tra entrambi i lati della membrana. In questo studio, dimostriamo due metodi. (i) il rilassamento di gradienti di concentrazione di ioni si verifica tramite un canale di flusso che penetra una membrana di scambio ionico, dove il trasporto della specie più lento nella membrana selettivamente diventa dominante nel canale di flusso. Questa è una forza trainante per generare un flusso EHD nel liquido. (ii) un lungo tempo di attesa per la diffusione di ioni passando attraverso la membrana di scambio ionico consente la generazione di un flusso di ioni-trascinato da esternamente applicando un campo elettrico. Gli ioni concentrati in un canale di flusso di una sezione trasversale di 1 x 1 mm² determinano la direzione del flusso del liquido, corrispondente per le vie di trasporto elettroforetica. In entrambi i metodi, la differenza di tensione elettrica necessaria per una generazione di flusso EHD viene drasticamente ridotta per vicino a 2 V di rettificare le vie di trasporto dello ione.

Introduction

Recentemente, tecniche di controllo di flusso del liquido hanno attirato molta attenzione a causa di interesse per le applicazioni di micro – e nanofluidiche dispositivi^{1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15}. nelle soluzioni polari, quali soluzioni acquose e liquidi ionici, particelle cariche elettricamente e ioni di solito portare cariche elettriche nei flussi di liquidi. Il trasporto di tali particelle polarizzate fornisce un’espansione di varie applicazioni, come singola molecola manipolazione^{6,10,11,13,14 , 15 , 16 , 17}, ion diodo dispositivi^12,18e flusso di liquido di controllo^19,20,21,22. Flusso EHD è stato un fenomeno applicabile per sistemi di controllo di flusso del liquido, poiché Stuetzer^1,2 ha inventato la pompa di trascinamento dello ione. Melcher e Taylor³ ha pubblicato un articolo importante in cui il quadro teorico del flusso EHD era ben recensito e alcuni esperimenti eccezionali inoltre sono stati dimostrati. Saville⁴ e sue colleghe^23,24 contribuito all’espansione seguente delle tecnologie EHD in liquidi. Tuttavia, c’erano alcune limitazioni per indurre il liquido scorre guidati da forze elettriche, perché decine di kV devono essere applicate in liquidi per iniettare cariche elettriche nelle soluzioni non-polari, quali oli, polarizzare li^{1,2 , 3}. questo è uno svantaggio per soluzioni acquose, poiché l’elettrolisi di acqua che è indotta da un potenziale elettrico superiore a 1.23 V cambia le caratteristiche delle soluzioni e rende le soluzioni instabili.

Nei canali micro – e nanofluidiche, cariche di superficie delle pareti del canale causano la concentrazione di controioni che inducono in modo efficace il flusso elettroosmotico (EOFs) sotto campi elettrici applicati esternamente^{25,26,27 ,28,29}. Utilizzando EOFs, alcune tecniche di pompaggio liquidi sono stati applicati in soluzioni acquose, riducendo la tensione elettrica^30,31,32. D’altra parte, EOFs sono limitati a essere generata in micro – e nanospaces in cui le superfici diventano più dominante di volumi liquidi. Inoltre, a seconda del trasporto degli ioni altamente concentrati molto vicino le superfici della parete, come ad esempio in doppio strato elettrico, il limite di slittamento causa soltanto il flusso di liquido, che potrebbe non essere sufficiente per fare pressione pendenze^{7, 8 , 22 , 26 , 27}. fine tuning, tali da canale dimensioni e concentrazioni saline, è richiesto per le applicazioni di EOF. Al contrario, EHD scorre guidato dal corpo forze sembrano essere disponibili per il trasporto di masse ed energie se le tensioni di applicazione possono essere ridotto per evitare degradanti solventi. Recentemente, alcuni ricercatori hanno suggerito le applicazioni dei flussi EHD con tensioni basse^33,34,35,36. Anche se queste tecnologie non sono ancora state attuate, le frontiere sono dovrebbe espandere.

Negli studi precedenti, abbiamo anche condotto un lavoro sperimentale e teorico sui flussi di EHD in soluzioni acquose^37,38,39,40. È stato supposto che la rettifica delle vie di trasporto di ioni era efficace per generare soluzioni elettricamente cariche che causano le forze del corpo elettrico sotto campi elettrici. Utilizzando una membrana di scambio ionico e un canale di flusso attraversa la membrana, siamo stati in grado di rettificare le correnti ioniche. Quando si applica una membrana di scambio anionico, cationi concentrano nel flusso di canale trascinato i solventi e sviluppato un EHD flusso^37,38,39. Una differenza nella mobilità di specie ioniche era un fattore importante quando si separano le correnti cationiche e anioniche. Membrane a scambio ionico ha funzionato efficacemente per modulare la mobilità a causa della selettività ionica. Fenomeni di trasporto di ioni inoltre sono stati studiati dal punto di vista della densità di corrente ionica influenzato da campi elettrici applicati⁴¹. Questi studi sono stati proficui per sviluppare tecniche di manipolazione per singole molecole, vale a dire, micro – e nanoparticelle, cui movimenti sono fortemente influenzati da fluttuazioni termiche^11,16,17 . EOFs ed EHD flussi si prevede di ampliare la varietà di metodi di controllo di flusso preciso, nonché di gradienti di pressione.

In questo studio, dimostriamo due metodi per unità EHD flussi in soluzioni acquose. In primo luogo, una soluzione di NaOH è usata per un fluido di lavoro per guidare un EHD flusso^37,38,39. Una membrana di scambio anionico separa il liquido in due parti. Un canale di flusso di polidimetilsilossano (PDMS) con una sezione di 1 x 1 mm e una lunghezza di 3 mm penetra la membrana. Applicando un potenziale elettrico di 2.2 V, il trasporto elettroforetico di Na⁺, H⁺e ioni OH⁻ è indotta lungo i campi elettrici. Una membrana di scambio anionico e un canale di flusso lavorare efficacemente per separare le vie di trasporto ionico, dove anioni dominante passano attraverso la membrana e cationi concentrano nel canale di flusso, anche se entrambe le specie di solito si muovono in direzioni opposte, mantenere l’elettroneutralità. Pertanto, tale condizione non causa una forza trainante per i flussi di liquidi. Questa struttura è fondamentale per generare un flusso EHD raggiunge la cui velocità di flusso dell’ordine di 1 mm/s nel canale perché altamente concentrato cationi accelerati da campi elettrici esterni trascinare delle molecole del solvente. EHD flussi sono osservati e registrati utilizzando un microscopio e una telecamera ad alta velocità, come mostrato nella Figura 1. In secondo luogo, una differenza di concentrazione tra due fasi liquide separate da una membrana di scambio ionico provoca una condizione polarizzata elettricamente da generare attraversando una membrana di scambio ionico⁴⁰. In questo studio, troviamo l’importanza di un tempo di attesa considerevole a equilibrare le distribuzioni di ioni e un potenziale elettrico corrispondente, che causano condizioni preferibile applicare ad una forza di corpo in un liquido. Attraversando la membrana di scambio ionico, si ottiene una condizione debolmente polarizzata. In tale condizione, induce un campo elettrico applicato esternamente trasporto ionico direzionale che genera una forza di corpo in un liquido, e di conseguenza, il trasferimento di quantità di moto dagli ioni al solvente si sviluppa un flusso EHD.

Come accennato in precedenza, i dispositivi presenti riescono a diminuire drasticamente la differenza di tensione applicata a pochi volt, e quindi questo metodo è utilizzabile per soluzioni acquose, sebbene i metodi di iniezione di carica elettrica convenzionale richiedono decine di kV e sono limitati a un’applicazione per soluzioni non-acquose.

Protocol

1. EHD flusso indotto da trasporto ionico rettificato Sviluppo di un dispositivo di canale di flusso per rettificare i percorsi di trasporto dello ione Fare uno stampo PTFE del serbatoio: Tagliare un 13 x 30 x 10 stampo di3 mm da un blocco di politetrafluoroetilene (PTFE) utilizzando una fresatrice (Vedi Figura 2). In alternativa, acquistare un prodotto su misura. Lastre acriliche di 15 x 18 x 1 mm3 ad entrambe le…

Representative Results

Figura 4 (video figura) presenta un risultato rappresentativo di una generazione di flusso EHD, conseguenti la rettifica delle vie di trasporto di ioni e cationi altamente concentrate che ha indotto un flusso di liquido nel canale, secondo la fase 1 del protocollo. La figura 5 Mostra un risultato dell’analisi PIV, dove 20 dati punti vicino al centro del canale (y = z = 0 mm) erano in media. Nel caso la 1 x 10<su…

Discussion

Lo scopo di questo studio era di separare cationi e anioni in soluzioni acquose in termini di distribuzioni spaziali e numeri di trasporto. Utilizzando una membrana di scambio anionico, il trasporto di anioni e cationi potrebbe essere corretti nella membrana e in un canale di flusso che penetra la membrana, rispettivamente. In alternativa, una membrana a scambio cationico che separati ad alta e bassa soluzioni di concentrazione ha lavorato per generare soluzioni polarizzate elettricamente dopo un tempo di attesa consider…

Materials

Sylgard 184	Dow Corning Corp.	3097366-0516, 3097358-1004	PDMS
Acetone	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	012-00343
Ethanol	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	054-00461
0.1 mol/L Sodium Hydroxide Solution	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	196-02195
Pottasium Chloride	Wako Pure Chemical Industries, Ltd.	163-03545
Tris-EDTA buffer 100x concentrate	Sigma-Aldrich Co. LLC.	T9285-10014L
2.93 μm polystyrene particle	Merck KGaA	L300 Rouge	Tracer particle
1.01 μm polystyrene particle	Merck KGaA	K100(23716)	Tracer particle
Anion exchange membrane	ASTOM Corp.	Neosepta AHA
Gold (Au)	Furuuchi Chemical Corp.	AUT-13301X	Sputtering target metal
Titanium	Furuuchi Chemical Corp.	TIT-72301X	Sputtering target metal
Chromium	Furuuchi Chemical Corp.	CRT-24301X	Sputtering target metal
Hight-speed CMOS camera	Keyence Corp.	VW-600M
Microscope	Keyence Corp.	VW-9000
Data logger	Keyence Corp.	NR-500, NR-HA08
Laser displacement meter	Keyence Corp.	LK-G5000, LK-H008W
PIV and PTV software	DITECT Co. Ltd.	Flownizer 2D
Potentiostat	AMTEK Inc.	VersaSTAT4
Inverted microscope	Olympus Corp.	IX73
High-speed CMOS camera	Andor Technology Ltd.	Zyla 5.5 sCMOS
Function generator	NF Corp.	WF1945B
Function generator	NF Corp.	WF1973
Ultrasonic cleaner	AS ONE Corp.	AS22GTU
Rotary pump	ULVAC, Inc.	G-100S	Degas liquid PDMS
Rotary pump	ULVAC, Inc.	GLD-201A	Sputtering
Molecular diffusion pump	ULVAC, Inc.	VPC-400	Sputtering